SAW濾波器原理圖怎么看
來源：http://m.cnhxbh.com 作者：jinluodz 2013年09月11
隨著Internet的迅猛發(fā)展，全球上網(wǎng)用戶愈來愈多，但目前通過電話上網(wǎng)的最大缺點是帶寬太窄（幾十千赫），下載速度極慢，而CATV網(wǎng)絡頻率資源豐富，不少商家因此均在開發(fā)基于CATV網(wǎng)的寬帶多媒體數(shù)據(jù)廣播系統(tǒng)（如VOD等），通過CATV上網(wǎng)可使信息傳輸速度提高幾十倍以上，在這些系統(tǒng)中都要用到高性能的SAW濾波器來解決鄰頻抑制問題?？梢姡琒AW濾波器的市場前景十分可觀。
聲表面波濾波器（SAWF）是利用壓電材料的壓電效應和聲特性來工作的。具有壓電效應的材料能起到換能器的作用，它可以將電能轉換成機械能，反之亦然。壓電效應包括正壓電效應和反壓電效應。所謂正壓電效應是指壓電材料受力變形產(chǎn)生電荷，因而產(chǎn)生電場的效應，即由機械能轉換為電能，反壓電效應是指壓電材料在外加電場的作用下，產(chǎn)生機械形變的效應，也即由電能轉換為機械能。
聲表面波濾波器（SAWF）的結構如圖2—12所示。這種濾波器的基片是由壓電材料（如鈮酸鋰或石英晶體）制成，在基片上蒸鍍兩組“叉指電極”，一般由金屬薄膜用光刻工藝刻成。左側接信號源的一組稱為發(fā)送換能器，右側接負載的一組稱為接收換能器，圖中a、b分別為電極寬度和極間距離，W為相鄰叉指對的重疊長度，稱為“叉指孔徑”。當交變的電信號us加到發(fā)送換能器的兩個電極上時，通過反壓電效應，基片材料就會產(chǎn)生彈性形變，這個隨信號變化的彈性波，即“聲表面波”，它將沿著垂直于電極軸向（圖中x方向）向兩個方向傳播，一個方向的聲表面波被左側的吸聲材料吸收，另一方向的聲表面波則傳送到接收換能器，由正壓電效應產(chǎn)生了電信號，再送到負載RL。但叉指換能器的形狀不同時，濾波器對不同頻率信號的傳送與衰減能力就會不一樣。
圖2—12 聲表面波濾波器結構示意圖
為了簡便起見，僅分析“均勻”型叉指換能器的頻率特性。所謂“均勻”型就是指圖2—12中各叉指對的參數(shù)a、b、W都相同，設換能器有n+1個電極，并把換能器分為n節(jié)或N個周期（N=n/2），各電極將激發(fā)出相同數(shù)量的聲表面波，聲表面波的波長由指裝點基的寬度a和間隔b決定，聲表面波的頻率與傳播速度有關，其自然諧振頻率（或機械諧振頻率）為v是聲表面波的傳播速度，約為3×103m/s，比光速小很多，比聲速高9倍多。在f0一定，速度v低時（a+b）就可以小，所以聲表面波器件的尺寸可以做得很小，但f0很低，則（a+b）就增大，SAWF的尺寸就增大，因此它適合工作在高頻或超高頻段。
叉指換能器的尺寸決定后，換能器的f0就固定了，當外加信號的頻率等于f0時，換能器各節(jié)電極所激發(fā)的聲表面波同相疊加，振幅最大，即所激發(fā)出的聲表面波幅值最大；當外加信號的頻率偏離f0時，換能器各節(jié)電極所激發(fā)的聲表面波振幅值基本不變，但相位發(fā)生變化，其矢量疊加會使振幅值減小，并隨頻率偏離的大小而變化，有時完全對消。根據(jù)理論分析可知，其頻率特性曲線呈現(xiàn) sinx/x函數(shù)形式，式中x=Nπ?f/f0 。由信號分析可知，矩形脈沖信號的幅頻特性也呈現(xiàn)sinx/x 函數(shù)形式，所以上述均勻叉指換能器的信號脈沖是矩形，與叉指重疊部分的幾何形狀（矩形）完全相同。由此可見，叉指換能器的幾何形狀同它的沖擊響應h(t)對應，由此可求得其網(wǎng)絡函數(shù)H(jω)。叉指換能器的特點即它的幾何形狀同信號響應之間存在著特別簡單的關系。
在實際應用中，上述對稱的幅頻特性往往滿足不了要求，所以常常采用不均勻結構，即使叉指電極尺寸和形狀作適當?shù)脑O計和調整，使幅頻特性滿足特定的要求。如圖2—13所示，使叉指孔徑（重疊）的結構形狀包絡與sinx/x 曲線的形狀相同，即可得到接近矩形形狀的振幅頻率特性。
圖2—13 叉指圖形與振幅頻率特性
通常對于具有復雜濾波特性的SAWF，其設計通常采用加權的方式，必須借助于計算機才能進行。加權的方式很多，常見的有兩種：
（1）振幅加權，保持叉指換能器寬度a和極間距b不變，使叉指孔徑w按某特定函數(shù)規(guī)律變化，則它的頻率響應即可滿足所需的濾波特性；
（2）相位加權，保持叉指孔徑W不變，使寬度a和極間距b變化，這對加大帶寬，改善相頻特性有顯著效果。
由于聲表面波濾波器的群時延特性僅與輸入、輸出電極寬度a和極間距b有關，所以，它基本上是一個常數(shù)，也就是說，用聲表濾波器做成的濾波器，其相頻特性基本上是線性的，且與幅頻特性無關，這是用電感電容做成的濾波器所無法做到的。
2.聲表面波濾波器的電性能
（1）振幅頻率特性
在電視機高頻頭中，經(jīng)混頻電路將電視臺發(fā)送的各頻段電視信號差頻出一個中頻信號，使得各頻道的圖象載頻變成38MHz，伴音載頻變成31.5MHz。電視機的中放通道則要求各頻率點都有不同幅度。如圖象載頻位置在幅度的50%處，即-4.8dB。為了使檢波后的伴音不致影響圖象。另一方面也為了使伴音中不出現(xiàn)場頻哼聲，所以在中放通道中伴音中頻的增益比圖象中頻的增益低20 dB。中放頻率特性在伴音中頻位置上應有一小平臺，否則調頻的等幅伴音中頻信號受傾斜的頻率特性的影響，會變成調幅調頻波。伴音中頻增益也不能降低太多，否則伴音幅度太小。圖象中放的頻帶寬度計算方法，是從右邊-6dB（50%）的圖象載頻位置算起，至左邊-3 dB（70%）處為止的頻帶寬度，一般要求約5MHz。
要不受其它信號干擾，中放應該只使所需頻道頻率成分順利通過，在通頻帶之外必須要有很大的衰減，使不需要信號都增益和信雜比，為了減少插入損耗可采用單向轉能器件結構，可將使固有的6dB損耗降到2～3dB，但帶寬變窄了。一般是在聲表面波濾波器之前加一級放大器，只需適當提高其輸入電平，使輸出電平不致影響系統(tǒng)的信雜比指標即可。盡管插入損耗較大，但并不造成使用上的困難。 （4）三次回波
當主信號到達輸出電極時，通過反壓電效應轉換成電信號輸出，然而，此時也可以把輸出電極看成是一個“輸入電極”，于是又通過它的壓電效應把已轉換的電信號的一部分又轉換成聲表面波，向輸入端方向傳送。到達輸入端后，又以相似的形式被反射到輸出端，形成了所謂“三次回波”，如圖2—14所示。當然，同樣的道理，還會再形成5次、7次……(2n－1)次回波。但是和三次回波相比，它們要小得多，所造成的影響也就微不足道了。
要減弱三次回波的影響除在器件設計時采取措施以外，在電路上還須設法加以抑制，通常唯一有效方法是使聲表面波濾波器的電極阻抗與電路負載阻抗失配。此道理是顯而易見的：若設在輸出端失配時，失配引入的信號衰減為1/2。如原來主信號和三次回波的對比為l0：1，則現(xiàn)在通過失配后就變成了5：1/4，也即20：1?？梢娙位夭ㄏ鄬p小了一倍。在輸入端失配，其結果也是一樣。當然，就抑制三次回波而言，輸入、輸出端均失配時效果更好。
顯然，采用失配來抑制三次回波的方法是以增大插入損耗為代價的。所以在實際應用中應權衡考慮三次回波抑制和插入損耗兩方面的要求，聲表面波濾波器的插入損耗也只有在它的三次回波抑制符合要求的情況下才有意義。 （5）直通信號
直通信號是由于輸入端和輸出端之間存在著分布電容，使信號未經(jīng)電—機—電轉換就直接到達輸出端而形成的。由于聲表面波濾波器對主信號有一個延遲時間T，相對而言，直通信號就要比主信號提前T時間到達。于是在電視屏幕上造成了超前T時間的重影，如圖2—15所示．
圖2—15有直通信號后的波形示意圖
減小直通信號的方法是在輸入端和輸出端之間要有良好的屏蔽，并且在排制印刷板時，應用地線隔開以減小輸入、輸出端之間的耦合。同時，還要處理好印刷電路的走線，器件貼緊印刷板安裝，外殼接地良好，引出線盡可能短等。另外，還可安裝金屬罩來加以屏蔽。 3.聲表面波濾波器和外電路的匹配
聲表面波濾波器和外電路的匹配，主要考慮三個方面： （1）從減小聲表面波濾波器的插入損耗來看，應力求匹配，失配越嚴重，則插入損耗越大；
（2）為了使三次回波減小到允許的指標程度，則需要以一定的失配代價來換??；
（3）為保證獲得良好的幅頻特性和相頻特性，必須使匹配電路的電帶寬大于聲表面波濾波器的聲帶寬，不致使由于外電路的接入而影響聲表面波濾波器的濾波特性。
在考慮電路參數(shù)時，首先應滿足第（3）點的要求，然后統(tǒng)籌考慮（1）（2）點的要求。
理論和實踐都證明，輸入端的匹配并不影響表面波濾波器的帶寬，而輸出端的匹配對帶寬的影響也不大，因此，為了抑制三次回波的影響，使輸出端稍有失配是實用的。
聲表面波濾波器不宜用作低頻及帶寬很窄的濾波器，因為這將要求叉指寬度很寬，叉指對數(shù)很多，器件尺寸也就變得很大。此外，SAWF也不能完成低通濾波器和高通濾波器的作用。
聲表面波濾波器（SAWF）是利用壓電材料的壓電效應和聲特性來工作的。具有壓電效應的材料能起到換能器的作用，它可以將電能轉換成機械能，反之亦然。壓電效應包括正壓電效應和反壓電效應。所謂正壓電效應是指壓電材料受力變形產(chǎn)生電荷，因而產(chǎn)生電場的效應，即由機械能轉換為電能，反壓電效應是指壓電材料在外加電場的作用下，產(chǎn)生機械形變的效應，也即由電能轉換為機械能。
聲表面波濾波器（SAWF）的結構如圖2—12所示。這種濾波器的基片是由壓電材料（如鈮酸鋰或石英晶體）制成，在基片上蒸鍍兩組“叉指電極”，一般由金屬薄膜用光刻工藝刻成。左側接信號源的一組稱為發(fā)送換能器，右側接負載的一組稱為接收換能器，圖中a、b分別為電極寬度和極間距離，W為相鄰叉指對的重疊長度，稱為“叉指孔徑”。當交變的電信號us加到發(fā)送換能器的兩個電極上時，通過反壓電效應，基片材料就會產(chǎn)生彈性形變，這個隨信號變化的彈性波，即“聲表面波”，它將沿著垂直于電極軸向（圖中x方向）向兩個方向傳播，一個方向的聲表面波被左側的吸聲材料吸收，另一方向的聲表面波則傳送到接收換能器，由正壓電效應產(chǎn)生了電信號，再送到負載RL。但叉指換能器的形狀不同時，濾波器對不同頻率信號的傳送與衰減能力就會不一樣。
圖2—12 聲表面波濾波器結構示意圖
叉指換能器的尺寸決定后，換能器的f0就固定了，當外加信號的頻率等于f0時，換能器各節(jié)電極所激發(fā)的聲表面波同相疊加，振幅最大，即所激發(fā)出的聲表面波幅值最大；當外加信號的頻率偏離f0時，換能器各節(jié)電極所激發(fā)的聲表面波振幅值基本不變，但相位發(fā)生變化，其矢量疊加會使振幅值減小，并隨頻率偏離的大小而變化，有時完全對消。根據(jù)理論分析可知，其頻率特性曲線呈現(xiàn) sinx/x函數(shù)形式，式中x=Nπ?f/f0 。由信號分析可知，矩形脈沖信號的幅頻特性也呈現(xiàn)sinx/x 函數(shù)形式，所以上述均勻叉指換能器的信號脈沖是矩形，與叉指重疊部分的幾何形狀（矩形）完全相同。由此可見，叉指換能器的幾何形狀同它的沖擊響應h(t)對應，由此可求得其網(wǎng)絡函數(shù)H(jω)。叉指換能器的特點即它的幾何形狀同信號響應之間存在著特別簡單的關系。
在實際應用中，上述對稱的幅頻特性往往滿足不了要求，所以常常采用不均勻結構，即使叉指電極尺寸和形狀作適當?shù)脑O計和調整，使幅頻特性滿足特定的要求。如圖2—13所示，使叉指孔徑（重疊）的結構形狀包絡與sinx/x 曲線的形狀相同，即可得到接近矩形形狀的振幅頻率特性。
圖2—13 叉指圖形與振幅頻率特性
通常對于具有復雜濾波特性的SAWF，其設計通常采用加權的方式，必須借助于計算機才能進行。加權的方式很多，常見的有兩種：
（1）振幅加權，保持叉指換能器寬度a和極間距b不變，使叉指孔徑w按某特定函數(shù)規(guī)律變化，則它的頻率響應即可滿足所需的濾波特性；
（2）相位加權，保持叉指孔徑W不變，使寬度a和極間距b變化，這對加大帶寬，改善相頻特性有顯著效果。
由于聲表面波濾波器的群時延特性僅與輸入、輸出電極寬度a和極間距b有關，所以，它基本上是一個常數(shù)，也就是說，用聲表濾波器做成的濾波器，其相頻特性基本上是線性的，且與幅頻特性無關，這是用電感電容做成的濾波器所無法做到的。
2.聲表面波濾波器的電性能
（1）振幅頻率特性
在電視機高頻頭中，經(jīng)混頻電路將電視臺發(fā)送的各頻段電視信號差頻出一個中頻信號，使得各頻道的圖象載頻變成38MHz，伴音載頻變成31.5MHz。電視機的中放通道則要求各頻率點都有不同幅度。如圖象載頻位置在幅度的50%處，即-4.8dB。為了使檢波后的伴音不致影響圖象。另一方面也為了使伴音中不出現(xiàn)場頻哼聲，所以在中放通道中伴音中頻的增益比圖象中頻的增益低20 dB。中放頻率特性在伴音中頻位置上應有一小平臺，否則調頻的等幅伴音中頻信號受傾斜的頻率特性的影響，會變成調幅調頻波。伴音中頻增益也不能降低太多，否則伴音幅度太小。圖象中放的頻帶寬度計算方法，是從右邊-6dB（50%）的圖象載頻位置算起，至左邊-3 dB（70%）處為止的頻帶寬度，一般要求約5MHz。
要不受其它信號干擾，中放應該只使所需頻道頻率成分順利通過，在通頻帶之外必須要有很大的衰減，使不需要信號都增益和信雜比，為了減少插入損耗可采用單向轉能器件結構，可將使固有的6dB損耗降到2～3dB，但帶寬變窄了。一般是在聲表面波濾波器之前加一級放大器，只需適當提高其輸入電平，使輸出電平不致影響系統(tǒng)的信雜比指標即可。盡管插入損耗較大，但并不造成使用上的困難。 （4）三次回波
當主信號到達輸出電極時，通過反壓電效應轉換成電信號輸出，然而，此時也可以把輸出電極看成是一個“輸入電極”，于是又通過它的壓電效應把已轉換的電信號的一部分又轉換成聲表面波，向輸入端方向傳送。到達輸入端后，又以相似的形式被反射到輸出端，形成了所謂“三次回波”，如圖2—14所示。當然，同樣的道理，還會再形成5次、7次……(2n－1)次回波。但是和三次回波相比，它們要小得多，所造成的影響也就微不足道了。
圖2—14三次回波示意圖
如果聲表面波濾波器的延遲時間為T，那么，在沒有三次回波存在時，電視屏幕上僅出現(xiàn)延時T時間圖象。這對實際收看圖象質量是毫無影響的，但當有三次回波存在時，屏幕上就會出現(xiàn)比主圖象又延遲了2T的圖像，使主圖像帶有重影，從而影響了圖象的質量。 要減弱三次回波的影響除在器件設計時采取措施以外，在電路上還須設法加以抑制，通常唯一有效方法是使聲表面波濾波器的電極阻抗與電路負載阻抗失配。此道理是顯而易見的：若設在輸出端失配時，失配引入的信號衰減為1/2。如原來主信號和三次回波的對比為l0：1，則現(xiàn)在通過失配后就變成了5：1/4，也即20：1?？梢娙位夭ㄏ鄬p小了一倍。在輸入端失配，其結果也是一樣。當然，就抑制三次回波而言，輸入、輸出端均失配時效果更好。
顯然，采用失配來抑制三次回波的方法是以增大插入損耗為代價的。所以在實際應用中應權衡考慮三次回波抑制和插入損耗兩方面的要求，聲表面波濾波器的插入損耗也只有在它的三次回波抑制符合要求的情況下才有意義。 （5）直通信號
直通信號是由于輸入端和輸出端之間存在著分布電容，使信號未經(jīng)電—機—電轉換就直接到達輸出端而形成的。由于聲表面波濾波器對主信號有一個延遲時間T，相對而言，直通信號就要比主信號提前T時間到達。于是在電視屏幕上造成了超前T時間的重影，如圖2—15所示．
圖2—15有直通信號后的波形示意圖
聲表面波濾波器和外電路的匹配，主要考慮三個方面： （1）從減小聲表面波濾波器的插入損耗來看，應力求匹配，失配越嚴重，則插入損耗越大；
（2）為了使三次回波減小到允許的指標程度，則需要以一定的失配代價來換??；
（3）為保證獲得良好的幅頻特性和相頻特性，必須使匹配電路的電帶寬大于聲表面波濾波器的聲帶寬，不致使由于外電路的接入而影響聲表面波濾波器的濾波特性。
在考慮電路參數(shù)時，首先應滿足第（3）點的要求，然后統(tǒng)籌考慮（1）（2）點的要求。
圖2—16 聲表面波濾波器等效電路
圖2—16為聲表面波濾波器的等效電路。圖中us為電信號源；Rs為信號源電阻；Ra(ω)為輻射電阻；Xa(ω)為輻射電抗。Za(ω)=Ra(ω)+jXa(ω)為電能轉換為聲能（機械能）的等效阻抗，與頻率有關；CT為換能器的極間總電容；FS為聲源（即聲強）。為了減小聲表面波濾波器的插入損耗，通常在外電路采用串聯(lián)電感的方法（如圖2—16中的L1、L2），使輸入端或輸出端發(fā)生串聯(lián)諧振，抵消容抗成份，并使Rs= Ra(ω)，RL= Ra(ω)。 理論和實踐都證明，輸入端的匹配并不影響表面波濾波器的帶寬，而輸出端的匹配對帶寬的影響也不大，因此，為了抑制三次回波的影響，使輸出端稍有失配是實用的。
聲表面波濾波器不宜用作低頻及帶寬很窄的濾波器，因為這將要求叉指寬度很寬，叉指對數(shù)很多，器件尺寸也就變得很大。此外，SAWF也不能完成低通濾波器和高通濾波器的作用。
正在載入評論數(shù)據(jù)...
相關資訊
- [2026-02-04]安碁科技汽車級晶體AEC-Q200標準...
- [2026-02-02]瑪居禮HM系列展頻晶體振蕩器醫(yī)療...
- [2026-01-30]Jauch新型差分輸出振蕩器數(shù)據(jù)傳...
- [2026-01-29]泰藝半導體OA-U系列高頻高溫環(huán)境...
- [2026-01-28]晶振振蕩器中的IQD三劍客CMOS/H...
- [2026-01-27]瑞薩晶振從AI起源到智能設備的領...
- [2026-01-21]瑞薩從硅芯片到軟件RoXAIStudio...
業(yè)務經(jīng)理
客服經(jīng)理
